CN106533319A - 变频与工频的无痕迹切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变频与工频的无痕迹切换方法，包括：检测工频电源输出电压的频率和相位；使变频器输出电压的相位与工频电源输出电压的相位同步；根据变频器的输出相电压峰值、调制方式以及输出电压的相数，确定切换时刻；当变频器的输出电压为单相时，切换时刻是工频电源单相输出电压与变频器单相输出电压之差的绝对值为最小的时刻；当变频器的输出电压为三相时，切换时刻是工频电源三相输出电压分别与变频器三相输出电压的差值绝对值之和为最小的时刻；在切换时刻将电机由变频器驱动切换到由工频电源驱动。本发明能降低变频切换工频时电机电流的波动，减小对负载的冲击。

Description

变频与工频的无痕迹切换方法

技术领域

本发明涉及电力技术，尤其涉及电能监测装置。

背景技术

变频器软启动技术是指变频器控制电机变频启动至电网频率，并在合适的时刻切至电网，确保切换时电流尽可能小。也有厂商将软启动技术称之为无痕切换技术，无论学术界还是企业界对这类技术已经有较多研究，但这些研究和技术目前都集中在对电网的锁相控制上，然而要实现完美的无痕切换，不但需要准确的锁相控制，还需要尽可能减少切换点时变频与工频电压差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种变频与工频的无痕迹切换方法,其能降低变频切换工频时电机电流的波动，减小对负载的冲击。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

变频与工频的无痕迹切换方法，包括：

检测工频电源输出电压的频率和相位；

使变频器输出电压的相位与工频电源输出电压的相位同步；

根据变频器的输出相电压峰值、调制方式以及输出电压的相数，确定切换时刻；当变频器的输出电压为单相时，切换时刻是工频电源单相输出电压与变频器单相输出电压之差的绝对值为最小的时刻；当变频器的输出电压为三相时，切换时刻是工频电源三相输出电压分别与变频器三相输出电压的差值绝对值之和为最小的时刻；

在切换时刻将电机由变频器驱动切换到由工频电源驱动。

采用上述技术方案后，本发明至少具有以下优点：

1、根据本发明实施例的变频与工频的无痕迹切换方法找到变频器输出电压与电网电压之间的最小时刻点，在变频器输出电压与工频电源电压之间的差值最小的时刻进行切换，从而避免了由变频切换工频时电机电流的增加，减小对负载的冲击，延长负载的使用寿命；

2、根据本发明实施例的变频与工频的无痕迹切换方法可以直接在普通变频器上实现，而且不需要增加额外的硬件成本。

附图说明

图1示出了工频变频切换系统的原理框图。

图2示出了根据本发明实施例的变频与工频的无痕迹切换方法的流程图。

图3示出了根据本发明第一实施例的变频器输出电压和工频电压的波形示意图。

图4示出了根据本发明第一实施例的变频器单相输出电压与工频电源单相输出电压之差的绝对值与时间的关系曲线示意图。

图5示出了根据本发明第二实施例的变频器输出电压和工频电压的波形示意图。

图6示出了根据本发明第二实施例的变频器三相输出电压与工频电源三相输出电压的差值绝对值之和与时间的关系曲线示意图。

图7示出了根据本发明第三实施例的变频器输出电压和工频电压的波形示意图。

图8示出了根据本发明第三实施例的变频器三相输出电压与工频电源三相输出电压的差值绝对值之和与时间的关系曲线示意图。

图9示出了根据本发明第四实施例的变频器输出电压和工频电压的波形示意图，其中，U1=0.93U。

图10示出了根据本发明第四实施例的变频器三相输出电压与工频电源三相输出电压的差值绝对值之和与时间的关系曲线示意图，其中，U1=0.93U。

图11示出了根据本发明第四实施例的变频器输出电压和工频电压的波形示意图，其中，U1=0.79U。

图12示出了根据本发明第四实施例的变频器三相输出电压与工频电源三相输出电压的差值绝对值之和与时间的关系曲线示意图，其中，U1=0.79U。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

图1示出了常见的工频变频切换系统的原理框图。通过按照一定的时序控制接触器K1、K2和K3的动作，可将电机M由变频器100驱动切换到由电网200（即工频电源）驱动。

图2示出了根据本发明实施例的变频与工频的无痕迹切换方法的流程图。结合图2所示，根据本发明实施例的变频与工频的无痕迹切换方法，包括以下步骤：

步骤a、检测工频电源输出电压的频率和相位；

步骤b、使变频器输出电压的相位与工频电源输出电压的相位同步；此处所说的使变频器输出电压的相位与工频电源输出电压的相位同步，也即本领域技术人员通常所说的锁相，在检测到工频电源输出电压的频率和相位之后，本领域技术人员可采用现有的锁相方式实现变频器输出电压的相位与工频电源输出电压的相位同步。在一种较佳的实施方式中，当变频器输出电压的相位与工频电源输出电压的的相位差绝对值小于等于1°时，可认为二者的相位实现了同步；

步骤c、根据变频器的输出相电压峰值、调制方式以及输出电压的相数，确定切换时刻；当变频器的输出电压为单相时，所述切换时刻是工频电源单相输出电压与变频器单相输出电压之差的绝对值为最小的时刻；当变频器的输出电压为三相时，所述切换时刻是工频电源三相输出电压分别与变频器三相输出电压的差值绝对值之和为最小的时刻；

步骤d、在切换时刻将电机由变频器驱动切换到由工频电源驱动。

以下结合四个具体的应用实施例对上述方法进行更详细地说明。

实施例1

实施例1是针对变频器的输出电压为单相交流电压，变频器的调制方式为SAPWM（加入三次谐波，效果等同于SVPWM调制）的情况。

请同时参考图3和图4。图3中，工频电源的输出电压用虚线表示，变频器的输出电压用实线表示。

工频电源的单相交流电函数为：

u_r (t)= U×sin(50×2π×t)；

其中U是工频电源的相电压峰值，u_r是工频电源的相电压，t为时间。

变频器的单相交流电函数为：

u_u(t) = U₁×(sin(50×2π×t) + sin(3×50×2π×t) / 6) × 2 / sqrt(3)；

其中，U₁是变频器的输出相电压峰值，其与变频器母线电压有关， sqrt（3）是对3求算术平方根。

工频与变频的单相电压差绝对值为：

uerr(t) = |u_r (t)-u_u (t) |；

切换时刻为uerr(t)为最小值对应的时刻，通过求导计算可知，切换时刻为变频器的单相输出电压的瞬时相角为N×π的时刻,其中，N为自然数，N=0,1,2…，也就是当50×2π×t =N×π的时刻,其中N=0,1,2…。

实施例2

实施例2是针对变频器的输出电压为三相交流电压，变频器的调制方式为三相SPWM调制的情况。

请同时参考图5和图6。图5中，工频电源的输出电压用虚线表示，变频器的输出电压用实线表示。

工频电源的三相交流电函数为：

ur (t)= U×sin(50×2π×t)；

us (t) = U×sin(50×2π×t - 2π/3)；

ut (t) = U×sin(50×2π×t + 2π/3)；

其中，U是工频电源的相电压峰值，ur、us、ut分别是工频电源的r、s和t三相的相电压，t为时间。

变频器的三相交流电函数为：

uu (t) = U1×sin(50×2π×t);

uv (t) = U1×sin(50×2π×t - 2π/3);

uw (t) = U1×sin(50×2π×t + 2π/3);

其中，U1是变频器的输出相电压峰值，其与变频器母线电压有关，uu、uv、uw分别是变频器的U、V和W三相的相电压。

则工频与变频的三相电压差绝对值之和为：

uerr(t) = |ur (t)-uu (t) |+|us (t)-uv (t) |+|ut (t)-uw(t)|;

切换时刻为uerr(t)为最小值对应的时刻，通过求导计算可知，切换时刻为变频器的U相输出电压的瞬时相角为N×π/3的时刻,其中，N为自然数，N=0,1,2…。也就是当50×2π×t= N×π/3的时刻,其中N=0,1,2…。

实施例3

实施例3是针对变频器的输出电压为三相交流电压，变频器的调制方式为三相SAPWM调制的情况（加入三次谐波，效果等同于SVPWM调制）。

请同时参考图7和图8。图7中，工频电源的输出电压用虚线表示，变频器的输出电压用实线表示。

工频电源的三相交流电函数为：

ur (t)= U×sin(50×2π×t);

us (t) = U×sin(50×2π×t - 2π/3)；

ut (t) = U*sin(50*2π*t + 2π/3)；

其中，U是工频电源的输出相电压峰值，ur、us、ut分别是工频电源的r、s和t三相的相电压，t为时间。

变频器的三相交流电函数为：

uu(t) = U1×(sin(50×2π×t) + sin(3×50×2π×t) / 6) × 2 / sqrt(3);

uv(t) = U1×(sin(50×2π×t - 2π/3) + sin(3×50×2π×t - 2π/3) / 6) × 2 /sqrt(3);

uw(t) = U1×(sin(50×2π×t + 2π/3) + sin(3×50×2π×t + 2π/3)/ 6) × 2 /sqrt(3);

其中，U1是变频器的输出相电压峰值，其与变频器母线电压有关，uu、uv、uw分别是变频器的U、V和W三相的相电压。

则工频与变频的三相电压差绝对值之和为：

uerr(t) = |ur (t)-uu (t) |+|us (t)-uv (t) |+|ut (t)-uw(t)|;

切换时刻为uerr(t)为最小值对应的时刻，通过求导计算可知，切换时刻为变频器的U相输出电压的瞬时相角为N×π/3的时刻,其中，N为自然数，N=0,1,2…。也就是当50×2π×t= N×π/3的时刻，其中N=0,1,2…。

实施例4

实施例4是针对变频器三相SPWM调制切换，但有超越失真(即过调制)，变频器的每一相的输出相电压不大于变频器的输出相电压峰值U1。

工频电源的三相交流电函数为：

ur (t)= U×sin(50×2π×t);

us (t) = U×sin(50×2π×t - 2π/3);

ut (t) = U*sin(50*2π*t + 2π/3);

其中，U是工频电源的相电压峰值，ur、us、ut分别是工频电源的r、s和t三相的相电压，t为时间。

变频器的三相交流电函数为：

uu(t) = ur (t); 若|ur (t)| < U1

uu(t) = U1; 若ur (t) ≥ U1

uu(t) = -ur (t); 若ur (t) ≤ U1

uv(t) = us (t); 若|us(t)| < U1

uv(t) = U1; 若us(t) ≥ U1

uv(t) = -us (t); 若us(t) ≤U1

uw(t) = ut(t); 若|ut(t)| < U1

uw(t) = U1; 若ut(t) ≥U1

uw(t) = -ut(t); 若ut(t) ≤U1

其中U1是变频器的输出相电压峰值，其与变频器母线电压有关，uu、uv、uw分别是工频电源的U、V和W三相的相电压。

则工频与变频的三相电压差绝对值之和：

uerr(t) = |ur (t)-uu (t) |+|us (t)-uv (t) |+|ut (t)-uw(t)|；

请参考图9至图12。切换时刻为uerr(t)为最小值对应的时刻。由于本实施例有过调制（即失真）的情况，往往不便于函数求导。可采用如下两种方式确定切换时刻。

第一种确定切换时刻的方式包括以下步骤：

a、以等间隔时间分别实时记录变频器的每一相输出相电压与相对应的工频电源输出相电压的差值，记录1个或多个变频器输出电压周期；

b、根据记录的差值数据，在每一个变频器输出电压周期中，找出最小的那一个工频电源三相输出电压与变频器三相输出电压的差值绝对值之和，并得到相对应的变频器输出电压相位角；当仅记录了1个变频器输出电压周期时，以得到的一个变频器输出电压相位角作为最佳切换相位角，当记录了多个变频器输出电压周期时，以得到的多个变频器输出电压相位角的平均值作为最佳切换相位角，并以最佳切换相位角所对应的时刻作为所述切换时刻。

得到一个变频器输出电压相位角的公式如下：与最小的那一个工频电源三相输出电压与变频器三相输出电压的差值绝对值之和相对应的变频器输出电压相位角=2π*对应记录点序号*时间间隔/变频器输出电压周期，上述的对应记录点序号指的是与最小的那一个工频电源三相输出电压与变频器三相输出电压的差值绝对值之和相对应的电压记录点序号，由于是等间隔时间的电压采样，如果1个变频器输出电压周期记录了100个电压采样点，而第60个记录点所对应的那一个工频电源三相输出电压与变频器三相输出电压的差值绝对值之和为最小，那么对应记录点序号就是60，由于记录的时间间隔和变频器输出电压周期均为已知，那么就可以算出前述的变频器输出电压相位角。而前述的多个变频器输出电压相位角的平均值的计算方式可以是多个变频器输出电压相位角之和除以记录周期个数，也可以是将获得的多个变频器输出电压相位角去掉最大、最小值后，将其余的变频器输出电压相位角求和后再除以记录周期个数减2后的差值。

第二种确定切换时刻的方式包括以下步骤：

a、以等间隔时间分别实时记录变频器的每一相输出相电压与相对应的工频电源输出相电压的差值，记录1个或多个变频器输出电压周期；

b、根据记录的差值数据，在每一个变频器输出电压周期中，找出最小的那一个工频电源三相输出电压与变频器三相输出电压的差值绝对值之和，并得到相对应的变频器输出电压相位角；当仅记录了1个变频器输出电压周期时，以得到的一个变频器输出电压相位角作为最佳切换相位角，当记录了多个变频器输出电压周期时，以得到的多个变频器输出电压相位角的平均值作为最佳切换相位角；

c、在执行完步骤a和步骤b之后，重复执行一次步骤a和b；

d、判断步骤b所获得的最佳切换相位角与步骤c所获得的最佳切换相位角的差值是否在预定的角度差值范围内，如果在该预定的角度差值范围内，则以步骤b所获得的最佳切换相位角所对应的时刻作为切换时刻，如果超出了该预定的角度差值范围，则反复执行步骤a至步骤c，直到步骤b所获得的最佳切换相位角与步骤c所获得的最佳切换相位角的差值落入预定的角度差值范围内，然后以步骤b所获得的最佳切换相位角所对应的时刻作为切换时刻。

与第一种确定切换时刻的方式相比，第二种确定切换时刻的方式相当于多了验证步骤b所获得最佳切换相位角是否真的为最佳的步骤，因此所得到的结果比第一种方式更加精确。

Claims (6)

1.变频与工频的无痕迹切换方法，其特征在于，包括：

检测工频电源输出电压的频率和相位；

使变频器输出电压的相位与工频电源输出电压的相位同步；

根据变频器的输出相电压峰值、调制方式以及输出电压的相数，确定切换时刻；当变频器的输出电压为单相时，所述切换时刻是工频电源单相输出电压与变频器单相输出电压之差的绝对值为最小的时刻；当变频器的输出电压为三相时，所述切换时刻是工频电源三相输出电压分别与变频器三相输出电压的差值绝对值之和为最小的时刻；

在所述切换时刻将电机由变频器驱动切换到由工频电源驱动。

2.根据权利要求1所述的变频与工频的无痕迹切换方法，其特征在于，所述变频器的输出电压为单相交流电压，所述变频器的调制方式为SAPWM或SVPWM，所述切换时刻为变频器的单相输出电压的瞬时相角为N×π的时刻,其中，N为自然数，N=0,1,2…。

3.根据权利要求1所述的变频与工频的无痕迹切换方法，其特征在于，所述变频器的输出电压为三相交流电压，所述变频器的调制方式为SPWM，所述切换时刻为变频器的U相输出电压的瞬时相角为N×π/3的时刻,其中，N为自然数，N=0,1,2…。

4.根据权利要求1所述的变频与工频的无痕迹切换方法，其特征在于，所述变频器的输出电压为三相交流电压，所述变频器的调制方式为SAPWM或SVPWM，所述切换时刻为变频器的U相输出电压的瞬时相角为N×π/3的时刻,其中，N为自然数，N=0,1,2…。

5.根据权利要求1所述的变频与工频的无痕迹切换方法，其特征在于，所述变频器的输出电压为三相SPWM调制切换，但有超越失真，变频器的每一相的输出相电压不大于变频器的输出相电压峰值U1，所述切换时刻的确定包括以下步骤：

a、以等间隔时间分别实时记录变频器的每一相输出相电压与相对应的工频电源输出相电压的差值，记录1个或多个变频器输出电压周期；

b、根据记录的差值数据，在每一个变频器输出电压周期中，找出最小的那一个工频电源三相输出电压与变频器三相输出电压的差值绝对值之和，并得到相对应的变频器输出电压相位角；当仅记录了1个变频器输出电压周期时，以得到的一个变频器输出电压相位角作为最佳切换相位角，当记录了多个变频器输出电压周期时，以得到的多个变频器输出电压相位角的平均值作为最佳切换相位角，并以最佳切换相位角所对应的时刻作为所述切换时刻。

6.根据权利要求1所述的变频与工频的无痕迹切换方法，其特征在于，所述变频器的输出电压为三相SPWM调制切换，但有超越失真，变频器的每一相的输出相电压不大于变频器的输出相电压峰值U1，所述切换时刻的确定包括以下步骤：

a、以等间隔时间分别实时记录变频器的每一相输出相电压与相对应的工频电源输出相电压的差值，记录1个或多个变频器输出电压周期；

b、根据记录的差值数据，在每一个变频器输出电压周期中，找出最小的那一个工频电源三相输出电压与变频器三相输出电压的差值绝对值之和，并得到相对应的变频器输出电压相位角；当仅记录了1个变频器输出电压周期时，以得到的一个变频器输出电压相位角作为最佳切换相位角，当记录了多个变频器输出电压周期时，以得到的多个变频器输出电压相位角的平均值作为最佳切换相位角；

c、在执行完步骤a和步骤b之后，重复执行一次步骤a和b；

d、判断步骤b所获得的最佳切换相位角与步骤c所获得的最佳切换相位角的差值是否在预定的角度差值范围内，如果在该预定的角度差值范围内，则以步骤b所获得的最佳切换相位角所对应的时刻作为切换时刻，如果超出了该预定的角度差值范围，则反复执行步骤a至步骤c，直到步骤b所获得的最佳切换相位角与步骤c所获得的最佳切换相位角的差值落入预定的角度差值范围内，然后以步骤b所获得的最佳切换相位角所对应的时刻作为切换时刻。